文丨浪味仙 排版丨浪味仙
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内容提要
关于量子优势的首批成果正在陆续出现，但如何判断其真实性成为一个关键问题。
近日，IBM 与量子初创公司 Pasqal 在 arXiv 上发布了一份白皮书，围绕该问题进行了深入探讨，为量子优势的定义、验证和未来路径提供了系统性阐释。
这份白皮书为判断量子优势是否真正实现提供了一个框架，将其作为一种实用的科学工具，能够完成即使是最先进的经典算法也无法处理的计算任务。最后指出，量子计算的价值不仅在于某一次突破，更在于其成为一个持续发展的、与经典计算协同工作的强大工具。
01量子优势的重要性
白皮书指出，“量子优势”必须具备明确、可验证且无关平台的定义标准，它应作为量子计算发展的目标基准，而非模糊不清的宣传口号。
首先，随着量子计算的发展，各方对“量子优势”的理解出现分歧。有的将其理解为“量子计算比经典计算快”，有的则偏重于“难以用经典方法模拟”。但如果缺乏清晰标准，所谓的“优势”就无法真正转化为可信的科研成果或实用技术进步。因此论文强调，建立一个功能性的、可操作的定义是推进该领域健康发展的必要前提。
其次论文指出，“量子优势”必须具备验证性（verifiability）。这不仅是学术严谨性的要求，也是从理论走向工程应用的必要条件：如果一个量子计算任务即使在形式上超越了经典计算，但无法被验证，那么它就无法被广泛信任或应用。
最后，未来量子计算在实际体系中应扮演的角色是作为高性能计算平台（HPC）的加速器或协处理器（co-processor）。这也意味着，“量子优势”不应仅限于孤立的物理实验或理论模型中达成，而应服务于现实的计算任务，与经典系统协同，推动更广泛的科学与工业应用。
量子优势：图源IBM
“量子优势”不是一个绝对速度之争，而是一种可验证的、在现实系统中有意义的性能跃迁。
上述核心论点为后续关于验证方式、潜在实现路径以及系统架构的讨论奠定了基础。
02量子优势的核心定义
要构成真正意义上的“量子优势”，量子计算必须同时满足两个基本条件：
1、计算结果必须具有可验证性。
“可验证性”是量子优势成立的逻辑前提。论文指出，即使某些量子算法在理论上对经典计算具有压倒性优势，如果其输出无法以某种方式验证或复现，那么就无法获得科学界和产业界的信任。这种验证可以通过提供严谨的误差界限，或是依赖于问题自身的结构，使得最终结果可以用经典方法高效验证。没有验证能力的“黑箱式”量子计算，即使成果出色，也无法构成具备实际说服力的优势。
2、量子方法在效率、成本效益或准确性上要优于单纯依赖经典计算的方式。
除了可验证，性能上的优越性也必须是真实可感的。这不仅意味着运算速度的提升，也包括计算成本的降低、精度的增强或资源利用效率的显著改善。论文特别强调，量子优势的定义应当是与平台无关的，也就是说，不应限制于某一特定的量子硬件或算法路线，而是从信息处理本身出发，强调结果的价值和可靠性。
这种双重标准的提出，将量子优势从一个模糊的愿景，转化为可以被实践界评估、被科研界验证的具体目标，不仅厘清了量子计算与经典计算之间的边界，也为未来的量子算法设计和硬件开发指明了努力方向。
03验证方法
“验证”的核心论点在于，它是建立对量子计算信任的首要任务，尤其是在处理那些经典计算机无法有效解决的问题时，必须有多种方法来确保计算结果的正确性：即使一个量子计算过程运行得非常高效，如果其输出无法被有效验证，那就无法称之为真正的“优势”。因此，必须建立一套多元、灵活、具有普适性的验证机制，以确保量子计算结果值得信赖。
论文提出了三类关键的验证路径。
1、误差条与误差界限（error bars and bounds）
这是当前在容错量子计算（FTQC）框架中最理想的验证方式，意味着可以对每一步计算提供严格的置信度估计。然而，这类方法依赖于硬件具备较高的纠错能力，在近期的量子设备上实现仍有技术门槛。
2、可高效验证的问题（classically verifiable problems）
某些问题本身虽然计算复杂，比如质因数分解，但其结果一旦被提出，其正确性可以通过经典计算机快速验证。这种结构性验证机制提供了一种既依赖量子能力、又确保结果可信的范式。
3、变分问题（variational problems）的间接验证方法
在这类问题中，比如估计分子基态能量，量子算法无法提供精确的解答验证，但却能输出一个变分上界，这一性质允许研究者通过对比不同解的“好坏”来间接评估量子算法的有效性。这类验证尽管不是“判定式”的，但在物理和化学领域极具实用价值。
值得注意的是，论文并不主张只依赖某一种验证手段，而是强调因问题而异、因硬件能力而异地来选择合适的验证方法组合。这一观点对现阶段“后优势时代”量子算法设计具有重要指导意义：不仅要设计强大的算法，也要从一开始就考虑其可验证性路径，为量子优势的可信实现打下基础。
04有望实现量子优势的问题类型
论文系统梳理了当前最可能率先实现量子优势的几类问题，指出量子计算的突破口极可能出现在具备一定可验证性、同时又对经典计算构成挑战的特定任务类别中。这些问题主要包括采样问题、变分问题以及可观测量的期望值估计，它们分别从不同的角度展现出量子计算独特的潜能。
1、采样问题（Sampling Problems）
这类问题要求从一个复杂的概率分布中生成样本，经典计算难以有效模拟，量子计算天然适合完成这类任务，其中最典型的是随机电路采样（RCS）。尽管其在早期被视为展示量子优势的重要候选，但由于其输出分布缺乏结构性，难以验证是否为“正确采样”，因此目前已不再被认为是可验证量子优势的理想路径。相比之下，带峰值（Peaked）输出的随机电路成为一个更有前景的变体。这种电路可以以非忽略概率输出特定比特串，同时保持整体输出的随机性，从而让验证机制更加可行，提升了其作为量子优势候选任务的可信度。
2、变分问题（Variational Problems）
该问题的代表任务包括量子系统的基态能量估计，这里的关键工具是变分量子本征求解器（VQE）和基于采样的量子对角化（SQD）。VQE 是一种浅层量子电路方法，适合当前非容错设备，能够通过优化参数化电路来逼近目标系统的最低能量。SQD 则提供了更强的可验证性：它通过量子采样构造子空间，然后在经典计算机上进行对角化，因此对量子硬件误差更为鲁棒，也更容易验证结果。
3、可观测量的期望值估计（Expectation Values of Observables）
这类任务广泛出现在量子化学、材料模拟和量子物理中，例如估算分子的基态能量或时间演化下的相关函数。虽然这类任务在非容错硬件上面临较高噪声，但借助量子误差缓解（QEM）等技术，依然可以在一定条件下实现高精度估计，因此被视为近期量子算法实践中最具工程落地可能的方向之一。
只有那些兼具挑战性与验证性的任务，才有可能真正撑起“量子优势”的落地场景。通过对问题类型的精细分类，研究者可以更有策略地集中资源与硬件能力，去实现首次令人信服的量子优势展示。
05实现量子优势的关键要素
实现量子优势的关键，在于将理论上的潜力转化为可被验证的、实际的性能优势，这需要技术、基础设施和硬件三个维度的协同发展。
论文明确指出，真正实现可验证、可复现且具备实际价值的量子优势，不仅取决于量子算法本身的设计，还深度依赖于高精度量子电路执行能力与混合量子–经典计算架构的系统整合。换句话说，量子优势的达成是多项技术协同进化的结果，任何一个关键环节的缺失都可能使其难以落地。
首先是运行精确电路的方法。由于量子系统固有的脆弱性，如何抑制或消除噪声至关重要，报告讨论了三种主要方法：量子纠错（QEC）通过编码信息来保护量子比特，尽管容错量子计算（FTQC）开销巨大，短期内难以实现，但它是最终实现大规模量子计算的基础。量子误差缓解（QEM）则通过经典后处理来减少噪声，尽管这会带来采样开销，但它是非容错硬件实现量子优势的重要途径。量子误差检测（QED）则介于两者之间，通过检测错误而不纠正，以提高样本质量，被认为是实现有限量子优势的有前景方案。
其次，构建以量子为中心的超级计算基础设施（Quantum-Centric Supercomputing, QCSC）将是未来主流方向。这种模式不再将量子处理器（QPU）视作孤立系统，而是将其作为高性能计算架构中的专用协处理器，与经典处理器紧密集成。这样的混合系统既能释放量子处理的潜能，又可通过经典计算提供稳定性和验证能力，是实现大规模科学计算中量子加速的关键平台。
最后，硬件性能始终是制约量子优势的底层瓶颈。无论是量子比特的数量、门操作的深度，还是各项操作的保真度，都会决定一个算法是否具备实际可运行性。
实现量子优势，不是孤立算法的胜利，而是硬件、系统架构、误差控制和经典协同计算多维进步的集合成果。未来的“量子突破”，也更可能出现在这些环节协同优化的交汇点上。
06结论与未来展望
可验证的量子优势即将在未来两年内成为现实，而这一成就的实现不仅取决于算法与硬件本身，更取决于明确的标准制定、跨学科协作以及公开透明的评估体系。
随着量子计算技术逐步迈出实验验证阶段，整个研究领域亟需一套严谨、公认且具有可复现性的评价框架，以确保所谓“量子优势”不仅名副其实，而且能对科学与工程实践带来真实价值。
报告指出，当前最有希望率先实现量子优势的领域，包括采样问题、变分问题和可观测量估算，这些方向已经在理论和原型硬件上取得实质性进展。然而，只有当这些成果能够在“正确性可验证”和“性能优于经典”的双重标准下被系统性评估，才算真正跨过了“量子优势”的门槛。
为此，作者提出了几项关键的最佳实践建议，以推动量子优势研究的可持续发展和学术共识的形成。具体来说：
与经典计算专家协作定义基准任务，确保问题设定具备现实意义和跨平台的公平性。只有量子算法在与经典算法“同场竞技”的前提下展现优越性，才能被视为有价值的进展。发布完整的研究细节与数据集，便于其他研究团队复现、验证并对比结果。这一点在快速演进的量子研究中尤为重要，有助于避免过度炒作和数据选择偏误所带来的虚假突破。建立开放的性能排行榜（leaderboard），动态记录在特定基准问题上的算法表现和平台能力。这种机制不仅鼓励正向竞争，也有助于形成行业共识，为未来商业化和应用部署提供量化参考。综上，量子优势不应仅是实验室的里程碑，更应成为推动现实问题解决的可验证能力。这一优势只有在多方共同参与、严格标准治理、结果开放透明的基础上，才具有持久的科学和社会价值。而从技术演进趋势看，未来几年将是定义并实现这一目标的关键窗口期。
Reference：1、https://www.ibm.com/quantum/blog/quantum-advantage-era2、https://arxiv.org/abs/2506.20658